신뢰성이 향상된 위치센서의 적용으로 유압실린더의 정확한 피드백을 구현할 수 있다①

BALLUFF

서론/요약

자기 왜곡 선형 위치 센서는 유압 실린더 위치 피드백을 위한 주요 기술이다. 높은 정확성, 다양한 전기 인터페이스, 온도 변화에 따른 신호 안정성, 마모 없는 작동 및 충격과 진동의 허용 오차로 인해 대안에 비해 선호된다. 이것은 스마트 실린더 및 서보-유압 시스템을 위한 광범위한 산업용 유압 애플리케이션에서 널리 사용된다. 센서의 고유한 견고성에도 불구하고, 산업 응용에 많은 어려운 점들이 존재하고 있어 표준제품으로써의 한계에 부딪히고 있으며, 센서의 조기장애 그리고 요구보다 짧은 유지보수주기는 기대수명에 애로점으로 나타나고 있다.

다행히도 지속적인 디자인 혁신으로 불리한 작동조건 하에서 장시간 동안 안정적으로 작동하고 보다 더 긴 수명을 제공하는 특수제품들이 개발됐다. 설치 및 장착에 대한 모범 사례는 가혹한 적용환경의 피해노출을 줄이는 데 도움이 될 수 있다. 이 백서는 일반적인 산업 응용 문제에 대해 논의하고 센서 신뢰성을 높이고 예상 수명을 연장할 수 있는 잠재적인 솔루션을 제안한다.

불리한 작동조건

열

고온은 제철공정과 같은 많은 산업공정에서 어쩔 수 없는 현실이다. 코크스로 배터리, 용광로, 전기 아크로, 산소변환기, 연속주조라인 및 열간압연 라인과 같은 영역은 전자장치를 파괴할 수 있는 고온의 주변환경을 만든다. 고체상태의 전자부품은 고온에 의해 스트레스를 받으며 실온에서보다 훨씬 더 높은 속도로 고장을 일으킬 수 있다. 주변 환경의 열은 세 가지 메커니즘을 통해 센서에 영향을 줄 수 있다.

1. 전도 (기계적 마운팅에서 직접 전달)
2. 대류 (순환하는 뜨거운 공기가 센서 하우징에 충돌함)
3. 방사선 (원거리에서 센서 하우징의 가시 광선 적외선 가열)

열로부터 보호하기 위한 3 단계

먼저 열로부터 센서의 노출을 줄이기 위해 할 수 있는 일이 무엇인지확인하는 설치 평가를 한다. 전도를 막으려면 센서를 열원에서 최대한 멀리 위치시켜야 한다. 실용적인 경우, 단열재(절연체)를 설치해 센서를 뜨거운 물체에 직접 닿지 않게 해야 된다. 센서 하우징에 뜨거운 공기가 닿는 것을 막기 위해 가드 또는 디플렉터를 설치하면 대류가 완화될 수 있다. 종종 이 같은 가드는 방사된 적외선 에너지를 차단하는 데에도 도움이 된다. 어느 순간에 에너지가 다시 통과돼 다시 방사될 것이라는 점을 명심해야 한다. 경우에 따라 열원은 롤러 위에 지나가는 강철판과 같이 간헐적으로 발생하므로 센서를 보호하기 위해 열을 몇 초 동안만 차단하면 된다.

다음 단계로, 뜨거운 응용분야에 적합한 종류의 실린더 위치 센서를 지정해야 한다. 표준 실린더센서는 일반적으로 최대 지정온도 등급이 75°C (167°F)이지만 100°C(212°F)까지 견딜 수 있는 개선품을 사용할 수 있다. 연결 케이블도 작업에 맞게 해야 한다는 것을 잊으면 안 된다. 많은 표준 케이블 재료가 고온에서 빠르게 녹거나 분해되므로 최고 200°C(392°F)까지 견딜 수 있는 PTFE와 같은 특수 케이블 보호재료를 찾아야 한다. 또 다른 전략은 설계된 센서와 홈런케이블 사이에 양단 코드세트를 삽입하는 것이다. 이 짧은 희생케이블이 손상되면 새로운 홈런케이블을 당겨서 시간을 낭비하지 않고 신속하게 교체할 수 있다.

마지막으로, 뜨거운 환경에 전자제품을 오래 보존하는 것은 지양해야 한다. 이 경우 센서를 공기정화 또는 워터자켓 냉각용으로 설계된 보호 케이스에 보관해야 한다.

극 저온

일부 산업, 특히 석유 및 가스 산업은 온도가 -40°C(-40°F) 이하로 떨어지는 북극 또는 북극에 가까운 지역에서 운영된다. 이러한 온도에서, O링, 가스켓, 케이블 절연 및 외부재킷 및 센서 요소 댐핑 재료와 같이 유연하게 유지되도록 하기 위한 폴리머(polymer)가 취약해질 수 있다. 반도체 재료는 전도성을 잃기 시작하고 회로는 예기치 않게 작동할 수 있다. -50°C(-58°F)에서 작동하도록 설계된 특수 유압실린더 센서를 사용할 수 있다. 이 제품들은 해당 온도까지 작동하도록 설계되고 지정된 고분자재료를 특징으로 한다. 이러한 조건에서 전자 오작동을 방지하기 위해 제조업체는 -40°C(-40°F) 이하의 온도에서 전자장치에 전원을 계속 공급해야 한다고 지정했다. 전자장치 자체의 열손실은 정상작동 범위 내에서 전자장치 자체를 보호한다.

물리적 영향

표준실린더 위치센서는 일반적으로 스테인레스 스틸 플랜지와 두 개의 나사로 고정된 압출알루미늄 하우징으로 구성되고, 대부분의 애플리케이션에서 이 유형의 센서는 오랜 시간 지속된다. 그러나 목재소 통나무가 떨어지는 등의 물리적 충격에 하우징이 노출되는 경우 표준 센서가 쉽게 손상될 수 있다. 센서의 기계적 충격에서 온전할 수 있는 가능성을 높이기 위한 세 가지 기본 접근법이 있다.

1. 보호대

많은 실린더 제조업체가 실린더 센서에 액세서리 보호 장치를 제공할 수 있다. 이것은 본질적으로 센서를 덮는 실린더 엔드 캡에 부착된 길이의 강관이다. 단점은 센서를 수리하기 위해 센서를 제거해야 하는 경우가 종종 있으며, 서비스 절차 후에 실수로 또는 의도적으로 중단돼 센서가 충격에 취약해진다는 것이다.

2. 내장

실린더 내부에 내장할 수 있는 소형 실린더 센서를 사용함으로써 견고한 실린더 자체가 센서 내부를 손상으로부터 보호한다. 이러한 센서는 일반적으로 임베드 가능 유형(embeddable types)이라고 한다. 모바일 유압 애플리케이션용 용접실린더에 종종 설치되며 고정식 산업용 애플리케이션에도 적합하다.

3. 업그레이드

특히 견고한 하우징을 갖춘 실린더 센서는 표준 유형에서 업그레이드 경로를 제공한다. 나사 인(Thread-in) 타입은 개조 응용분야에 사용 가능하며, 보다 견고한 볼트 인(bolt-in) 타입도 제공된다. (실린더는 실린더 제조업체가 맞게 준비해야 한다.)

충격

많은 산업용 유압 실린더 응용 분야는 정상 또는 비정상 조건에서 상당한 양의 충격을 발생시킬 수 있는 큰 힘 혹은 무거운 하중을 포함하고 있다. 충격은 급격한 가속 또는 감속 상태로 정의되며, 응용 분야에 따라 실린더 위치 센서에 대해 축 방향 또는 반경 방향으로 발생할 수 있다. 일반적으로 유압 실린더는 직선 운동 축을 따라 축 방향 충격을 전달하거나 흡수한다. Trunnion장착 실린더는 방사형 충격을 발생시키는 경우가 많다. 예를 들어, 인피드(infeed)롤러가 목재밀에서 통나무로 내려와 장착할 때 피봇된다.

애플리케이션이 충격으로 인해 높은 센서 고장률을 겪는 경우, 첫 번째 단계는 유압 제어 시스템이 충격 발생을 줄이기 위해 최적화될 수 있는지를 결정하는 것이다. 예를 들면, ‘가속 또는 감속을 제공하기 위해 모션 제어 프로파일을 조정할 수 있는지?’ ‘모션 프로파일을 적용하여 부드러운 시작 및 정지가 가능한지?’이다. 충격을 줄이기 위한 핵심은, G- 힘의 피크 진폭을 줄이고 과도(tansient) 시간을 늘려 가속도 기울기를 줄이는 것이다. 6밀리 초에 걸쳐 전달된 100G 피크 충격은 3밀리 초 이내에 전달된 100G 피크 충격보다 덜 심각하다.

충격파 발생을 최소화하기 위해 애플리케이션을 평가하고 최적화 한 후에는 충격사양이 향상된 센서를 찾아야 한다. 최소사양은 100G이어야하며, 참고기준으로 150G까지 등급의 제품을 우선적으로 고려해야 한다. 더 심한 경우에는 특수 제작 버전과 관련해 센서 제조업체에 문의하면 된다. 센서가 장착된 빠른 분리 커넥터의 추가 질량이 심한 충격을 받을 때 가끔 취약할 수 있음을 잊어서는 안 된다. 센서에서 나오는 유연한 케이블이 있는 ‘피그테일(pigtail)’또는 ‘인라인 (inline)’ 커넥터가 있는 깨진 커넥터와 단절된 상태로, 몇 인치 또는 피트 떨어진 곳으로 이동시켜야 한다.

자료 제공 : BALLUFF (www.balluff.com)